1 가구, 1 수소전기차의 시작점 - 비백금계촉매

1 가구, 1 수소전기차의 시작점 - 비백금계촉매

사진1. 현대 자동차 - 수소차의 자율주행

[출처: 한국경제(현대차제공)]

<!--[if !supportEmptyParas]--> <!--[endif]-->

평창올림픽 그리고 수소차?

 2018년 2월 9일 평창동계올림픽이 시작됐다. 선수들의 열정 가득한 땀방울이 빛날 시간이다. 평창올림픽의 또 다른 이름인 환경올림픽에서 빛나는 아이디어들도 찾을 수 있다. 특히 세계최초로 선보인 현대자동차의 수소차 자율주행은 서울~평창 구간 운행에 성공했다. 주행 중 공해가 전혀 발생하지 않는 친환경자동차인 수소차가 가져올 무한한 발전은 먼 미래의 이야기가 아니다.

 그렇다면 여기서 한 가지 가장 중요한 문제가 떠오를 것이다. 가격이 비싸 보급이 어렵지는 않을까?

 이번 기사에서 우리가 수소차는 비싸다고 생각하는 이유와 이를 해결할 수 있는 새로운 기술 연구들을 소개한다. 

한국에서의 수소전기차 보급을 위한 수소연료전지의 저가 생산 방안

 수소연료전지는 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어내는 일종의 발전기이다. [그림1] 과 같이 수소가 연료극에서 전자를 내놓아 전류가 발생한다. 부산물은 전자를 내놓은 수소이온이 환원극에서 공기 중 산소와 반응해 만들어지는 물만 나오기 때문에 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 그리고 이러한 과정을 바탕으로 연료전지를 내연기관으로써 전기를 생산하고 모터를 돌리는 자동차가 수소연료전지차이다.

그림 1. 연료전지의 원리 개념도

[출처 : 연료전지 자동차 개발 현황 및 전망]

 다양한 연료전지 중 자동차용으로 이용되는 것은 고분자전해질 연료전지인데, 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 양극과 음극 소재는 백금을 코팅한 흑연을 사용한다. 전해질로 고분자막을 사용하면 전해질 손실이 없고, 연료전지 본체 재료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에 부피와 무게도 비교적 작으며 반응기체의 압력변화에도 덜 민감하다. 또한, 백금은 전극촉매로 과전압을 감소시키고 반응 속도를 향상시킨다. 이러한 특성으로 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 전류밀도와 출력밀도가 크며 시동시간이 짧다는 장점이 있지만, 전해질로 사용하는 고분자막과 전극촉매로 사용되는 백금의 값이 매우 비싸다는 단점이 있다. 그래서 최근에는 촉매 함침량을 낮추거나, 백금 촉매 및 전해질막 대체 소재를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

<!--[if !supportEmptyParas]--> <!--[endif]-->

 여기서 촉매 연구에 관하여 자세히 살펴보자. 학계 연구진들은 앞에서 언급한 바와 같이 값비싼 백금을 얼마나 적게 쓰냐는 점을 고민한 끝에 몇 가지 방법을 고안하였다.

 첫 번째 방법은 납 입자 위에 철-백금 합금을 코어쉘 구조로 만드는 것인데, 기존 백금 사용량의 30%밖에 되지 않는다. 이 코어쉘의 크기는 5nm 정도 이며, 연구팀은 더 얇고 작은 코어쉘도 가능할 것 이라고 밝혔다.

그림 2. 코어쉘 구조의 나노 구조물

[출처: New energy and fuel]

<!--[if !supportEmptyParas]--> 

 하지만 이러한 미세나노 구조는 서로 뭉쳐지는 현상이 발생하여 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 이를 보완한 기술이 2015년 국내에서도 개발되었다. 탄소 다공체 위에 백금·철 나노합금 촉매와 그 위에 도파민을 입힌 뒤 열처리하는 방법이다. 열처리된 탄소막은 미세입자들이 서로 뭉치는 현상을 완화시켜주고 이 백금·철 나노합금촉매에는 백금이 기존 촉매의 절반만 사용되며, 수소연료전지의 환원극 활성 촉매로 사용할 때 발전량(백금 양 기준)이 기존 촉매(0.14 mA/g)의 10배 이상(1.6 mA/g) 증가했다.

<!--[endif]-->

그림 3. 탄소 다공체 위의 백금·철 나노합금 촉매(왼쪽)와 그 위에 도파민을 입힌 모습(가운데와 오른쪽). 원자 배열이 규칙적으로 정렬된 백금·철 나노합금에 도파민을 입힌 뒤 열처리 과정을 거쳐 탄소 원자막을 만든다. 탄소원자막이 나노입자의 뭉침을 방지해 작은 크기의 나노입자를 합성할 수 있다. 

[출처: 연합뉴스]

 

 이 외에도 백금금속 입자의 결정 방향에 따른 에너지 연구 등 전 세계에서 수많은 연구가 진행되었지만, 백금(Platinum)은 현 시세(2018.02.)로 kg당 34,314,000원으로 상당히 비싸다. 게다가 남아프리카에서 95% 생산되고 있어 가격이 불안정한 편이다. 그러나 이황화 몰리브덴(MoS2)은 알리바바(Alibaba.com) 기준, 현재(2018.02.) kg당 21,730원~43,460원으로 백금보다 훨씬 값싸며, 몰리브데넘(Mo)의 경우 백금(Platinum)보다 고루 퍼져있는 것을 그래프 상으로 볼 수 있다.

그래프 1. 백금 매장량 분포(왼쪽) 그래프 2. 몰리브데넘(Mo) 매장량 분포(오른쪽)

[출처 : American resources / Statista]

 백금 촉매는 음극보다 사용량은 적으나 반응속도가 느리다. 반면, 전이금속류의 촉매들은 백금보다 가격이 저렴하고, 매장량이 풍부하여 백금의 대체물질로 주목받고 있다. 이러한 비백금계 촉매 중에서 이황화 몰리브덴(MoS2)은 물 분해로 수소를 생성하기 위한 유망한 촉매제로 간주되고 있다.

 이황화 몰리브덴(MoS2)의 다중 구조 및 전자제어를 통한 비백금계 촉매를 만들었다. 수직으로 정렬된 2차원 층과 코발트 원자를 도핑한 3차원의 MoS2는 높은 수소 발생과 안정성을 보인다고 한다.

비백금계 촉매 중 이황화 몰리브데넘의 물질적 특성과 작용 메커니즘 

그림 4. 다공성 MoS2 발포체 제조의 개략도

[출처: Nat. Commun. 8, 14430 doi: 10.1038/ncomms14430 (2017)]

 위 그림은 (NH4)Mo7O24 분자를 콜로이드 성 SiO2 nanospheres에 균일하게 흡착시킨 뒤, SiO2 표면에 CS2와의 직접적인 화학 반응을 통해 Mo 전구체를 작은 MoS2 도메인으로 전환시키고, 마지막으로 HF 용액으로 SiO2를 식각(Etching)하여 mPF-MoS2를 얻는 과정을 보여주고 있다. 이렇게 만들어진 다공성 MoS2 발포체 (mPF-MoS2)는 H3O+ 이온 및 H2의 MoS2 표면에 대한 접근성을 증가시킨다. 전이 금속인 Co 원자를 mPF-MoS2에 추가로 도핑하면 수소발생반응이 향상된다. Co 원자를 도핑한 mPF-Co-MoS2 촉매는 10mA/cm²의 전류 밀도에서 156mV의 낮은 과전압을 보이며 우수한 내구성을 갖는다. [2]

사진 2. 2μm에서 본 MoS2-Au 나노 하이브리드 원자들의 분포 d)금(Au) e)몰리브데넘(Mo) f)황(S)

[출처: J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 4125]

 베이징 대학 화학 분자 공대에서 연구한 논문에 따르면, 평균 직경이 2.5nm인 MoS2-Au 나노 하이브리드를 제조해 수소발생반응을 향상시킬 수 있다고 한다. 금 나노 덩어리와 초음파로 박리된 MoS2 나노 입자를 하이브리드화해 수소발생반응을 크게 개선시켰다. Au와 MoS2 사이의 상호작용으로 전도성을 향상시켜, 과전압(66mV)에서 100mA/cm²의 전류 밀도로 우수한 수소발생반응을 보였다.[3]

*하이브리드화(Hybridization) : 서로 다른 재료를 원자나 분자 단위에서 혼합시켜 새로운 기능을 나타내게 하는 것.

 MoS2 기반의 나노 물질들이 우수한 수소발생반응을 보이며 활발하게 연구가 진행 중이다. 조만간, 백금계 촉매가 아닌 비백금계 촉매가 시장을 주도할 날이 머지않았음을 볼 수 있었다.

<!--[if !supportEmptyParas]--> 

수소차의 미래

 미래 미세먼지 문제를 해결할 강력한 방법으로 손꼽히는 수소차의 단점들은 빠른 속도로 해결되고 있다. 우리나라 역시 수소차의 핵심인 촉매 연구에 발 빠르게 따라가고 있다. 2015년에는 백금촉매 효과는 유지하며 가격은 100분의 1로 낮출 수 있는 황화 니켈 촉매개발에 성공했다. 또한, 각종 신기술과 결합하여 수소차의 발전 가능성은 커지고 있다.

 이처럼 청정에너지에 대해 커지는 관심이 이제 탄탄한 기술력을 바탕으로 현실이 되고 있다. 이런 분위기라면 1가구, 1 수소전기차는 머지않아 실현되지 않을까?

<!--[if !supportEmptyParas]--> <!--[endif]-->

참고 :

[1]조은애, 2011.7 “연료전지 자동차 개발 현황 및 전망” 조명·전기설비, 25(4), 31-36

[2] Deng, J. et al. Multiscale structural and electronic control of molybdenum disulfide foam for highly efficient hydrogen production. Nat. Commun. 8, 14430 doi: 10.1038/ncomms14430 (2017).

[3] Zhang. J. et al. Molybdenum disulfide and Au ultrasmall nanohybrids as highly active electrocatalysts for hydrogen evolution reaction. Mater. J. Chem. A, 2017, 5, 4122–4128